基于FPGA的航空數據鏈信道模擬器

摘 要：針對航空通信背景，建立了航空數據鏈復合衰落信道模型，并提出了一種基于諧波 疊加思想且易于FPGA硬件實現的定點模型。該模型利用不同諧波疊加產生高斯隨機過程，并通 過非線性變換分別獲得Nakagami衰落和對數正態分布衰落。最后，通過數值仿真選取合適的定點 參數，并利用Xilinx公司的FPGA芯片進行編程實現。實測結果表明，該硬件模擬器的輸出衰落 統計特性與理論值吻合，可用于實際航空數據鏈系統的模擬測試。

關鍵詞：航空數據鏈；無線信道；信道模擬器；復合衰落；Nakagami分布

中圖分類號：TN919；V217+.1文獻標識碼：A文章編號：1673-5048（2014）01-0061-04

ANewChannelEmulatorforAerospaceDataLinkBasedonFPGA

ZHOUShengkui1，ZHUQiuming1，LüWeihua1，2，XUDazhuan1

（1.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China； 2.ChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）

Abstract：Consideringtheaeronauticalcommunicationscenario，anewcompositefadingchannel modelfortheaerospacedatalinksystemisestablishedinthispaper.Andonthisbasis，afixedpoint realizablemodelbasedonSumofSinusoids（SoS）methodisproposedwhichiseasytobeachievedby FPGA.ItgeneratesGaussianrandomprocessesusingdifferentSoSmodelsandthenobtainstheNakaga mifadingprocessandlognormalfadingprocessthroughsomenonlineartransformations.Finally，the suitablefixedpointparametersareselectedbynumericalsimulationandimplementedbasedonFPGA producedbyXilinx.Theexperimentalresultsshowthatthestatisticalcharacteristicsofthischannelem ulatorareconsistentwiththetheoreticalvalue，anditcanbeusedforthetestofaerospacedatalinksys tem.

Keywords：aerospacedatalink；wirelesschannel；channelemulator；compositefading；Nakagami distribution

0 引 言

戰場環境下無線信道非常惡劣，數據鏈信號 傳輸過程中會受到飛行器高速飛行、姿態變換以 及復雜多變的地面狀況等多種因素影響，文獻[1]分析了不同地面狀況下的反射波情況，文獻[2- 3]則利用實測數據，分析了各種場景下航空信道 的特征參數。在移動通信領域，無線信道模擬器 已被廣泛應用于通信產品的測試驗證，如伊萊比 特公司PropsimC8信道仿真器。然而，目前針對 航空數據鏈信道的專用硬件信道模擬器還未見報 道。本文在航空數據鏈信道理論模型基礎上，提 出了一種易于FPGA實現的高效硬件模型，并利 用Xilinx公司Virtex-4FPGA芯片進行硬件實 現。

1 系統模型

1.1 理論模型

航空數據鏈通信環境非常復雜，信號傳輸過 程中會受到路徑損耗、陰影衰落、多徑衰落和噪聲 等因素影響，如圖1所示。由于路徑損耗一般為確 定值，多徑和陰影衰落為隨機值，二者級聯可等價 為一種新的復合衰落。文獻[4-6]分別研究了基 于Suzuki模型、Loo模型以及Rice-Lognormal復 合衰落的信道特性，文獻[7]總結了幾種典型復合 衰落下信號包絡統計特性。

2 基于FPGA的定點模型分析

2.1 定點參數分析

本文提出的復合衰落信道實現模型如圖2所 示。由于FPGA硬件適合于進行定點型運算，實現 過程中需將浮點模型轉換為定點模型，并通過 Matlab軟件對該定點模型的參數性能進行仿真驗 證。

對數正態衰落幅值起伏非常大，實測表明航 空環境下陰影衰落參數一般為σs∈（0，0.9）和μs ∈（0，1）。為方便FPGA硬件實現，本文采用查表 法實現對數運算，對數表位寬設置為13位。綜合 考慮各者的精度影響，首先對SoS模型產生的高斯 隨機變量截斷為8位，分析可得陰影衰落參數σs， μs均可轉換為5位定點數。特別注意，為滿足高斯 隨機變量ui（t）～N（0，1），需要對SoS模型輸出定 點高斯隨機過程歸一化后才能得到陰影衰落理論 模型。

2.2 數值仿真與驗證

為驗證定點模型的正確性，以下利用Matlab 軟件對該模型輸出的Nakagami和對數正態衰落隨 機過程的統計特性分別進行仿真驗證。仿真中， Nakagami衰落因子m取為0.5的整數倍，陰影衰落 參數σs=0.5和μs=0.03。由統計結果表1和表 2可見，利用SoS模型和非線性變換獲得的 Nakagami衰落和對數正態衰落的統計特性與理論 值非常吻合。

3.2 資源及性能測試

本方案設計所用FPGA為Virtex-4系列的 XC4VSX25芯片，該芯片集成了4個DCM模塊、 128個XtremeDSP、128個18KB的BLOCKRAM， 最大的BLOCKRAM容量為2304KB。利用ISE1 2.1對實現后的VerilogHDL代碼綜合后，FPGA資 源開銷如表3所示。

在此基礎上，利用Matlab軟件對輸出幅值進 行統計分析，并與公式中所得理論值相比較。由于 公式（4）中定義Nakagami衰落平均功率為1，同時 采用查表法產生對數正態分布時均值也發生了固 定偏移。因此，需先對圖5衰落波形進行功率歸一 化并糾正幅度偏移，然后進行幅值統計，如圖6所 示。由圖可見，硬件模擬器輸出衰落幅值的概率分 布與定點仿真及理論分布一致。

4 結 論

本文研究了航空無線數據鏈衰落信道的理論模 型及硬件實現，提出了一種基于SoS原理的硬件實 現方案并進行實驗驗證。實測數據表明，該硬件模 擬器輸出衰落的統計分布與Matlab定點仿真及理論 分布相吻合，可用于戰場環境下航空數據鏈通信設 備的測試開發，以縮短研發周期，降低研發成本。

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